PDF s textem článku

chemie
Miroslav Raab
Půlstoletí od objevu měkkých
kontaktních čoček
Příklad serendipity?
Anglické slovo serendipity (česky serendipita) vyjadřuje podíl šťastné náhody při klíčových událostech v životě, ale zejména při významných objevech ve vědě a technice. Neviditelný a nečekaný zásah serendipity zažili na vlastní kůži i mnozí čeští badatelé a vynálezci. Lze jej doložit i na
vynálezu měkkých kontaktních čoček. Od udělení československého patentu Otto Wichterlemu na „způsob výroby kontaktních čoček“ uplyne letos
právě padesát let.
Někdy v roce 1952 jel Otto Wichterle rychlíkem z Olomouce do Prahy. Cestoval nejspíš
první třídou, protože to byl už tehdy světově proslulý chemik, vysokoškolský profesor, vedoucí významné katedry a jeden ze tří
děkanů tehdy právě ustavené pražské Vysoké školy chemicko-technologické. Náhodou
se stalo, že si přisedl do kupé k muži, který četl oftalmologický časopis. To ho zaujalo,
Náhoda pomáhá připraveným
• Archimedes ze Syrakús (287–212 př. Kr.) při koupání ve vaně přišel na to,
jak zjistí hustotu královské koruny a objevil Archimedův zákon. Jeho výkřik
heuréka ! (nalezl jsem!) se stal symbolem objevů ve vědě a technice a vědy
o objevování, heuristiky.
• Isaak Newton (1643–1727) prý zformuloval gravitační zákon poté, co mu
spadlo na hlavu jablko ze stromu, pod kterým dřímal. Možná to ale bylo
docela jinak.
• Kekulé ze Stradonic, Friedrich August Kekulé (1829–1887) měl sen o hadu,
který žere svůj vlastní ocas. To jej přivedlo k objevu struktury benzenu.
• Louis Pasteur (1822–1887) se proslavil očkováním proti vzteklině, ale už ve
svých 26 letech objevil racemizaci, zrcadlové izotopy kyseliny vinné.
• William Henry Perkin (1838–1907) roku 1856 (v 18 letech) připravil jako
první anilinové barvivo, i když chtěl původně syntetizovat chinin.
• Hanz von Pechman (1850–1902) v roce 1899 náhodně připravil první
polyethylen zahříváním diazomethanu. Připravený produkt nemá průmyslový význam, ale dodnes se občas používá (pod názvem polymethylen) pro
laboratorní analytické účely.
• Eugen Sapper (1858–1912) náhodně připravil syntetické indigo, když při
zahřívání dehtu omylem rozbil do reakční nádobky teploměr. Rtuť působila
jako katalyzátor reakce.
– Alexander Fleming (1881–1955) objevil v roce 1928 náhodně penicilin, když
nevědomky nakazil bakteriální kulturu stafylokoků plísní.
• Eric Fawcett (1927–2000) a Reginal Gibson připravili v roce 1933 v britských laboratořích ICI nízkohustotní polyethylen (LDPE), když do reakční tlakové nádoby s náhodně poškozeným víkem pronikl kyslík, katalyzátor
reakce.
• James Wright připravil v roce 1943 smíšením silikonového oleje a kyseliny
borité elastický tmel (trikolínu, silly putty). Wright byl zklamaný, protože
chtěl původně připravit syntetický kaučuk. Když však od něj patent na jeho
materiál odkoupil v roce 1949 Peter Hogson, uplatnil jej jako hračku pro děti,
která měla nečekaný úspěch.
• Karl Ziegler (1898–1973) dostal (společně s Giuliem Nattou) v roce 1963
Nobelovu cenu za výzkum organokovových látek. Jejich katalytické účinky
umožnily syntézu vysokohustotního polyethylenu (HDPE) a následně také
izotaktického polypropylenu (PP).
• Otto Wichterle (1913–1998) dostal nápad na syntetické hydrogely na měkké kontaktní čočky, když se v roce 1952 ve vlaku náhodou posadil vedle muže,
který četl oftalmologický časopis. V roce 1961 mu byl udělen československý
patent na přípravu kontaktních čoček rotačním odléváním.
2
Vesmír 90, leden 2011 | http://www.vesmir.cz
protože jeho žena byla náhodou oční lékařka.
Dali se do řeči a ukázalo se, že spolucestující je pracovník ministerstva zdravotnictví,
odborník na oční pomůcky. Během hovoru
si postěžoval, že oční kontaktní čočky, které
se tehdy dělaly ze skla nebo z tuhých plastů,
jsou tvrdé, ale hlavně nepropouštějí vodu ani
kyslík. Zadání ministerského experta bylo
docela konkrétní: Chemici by měli připravit
materiál, který bude opticky čirý, propustný pro vodu a zároveň biologicky snášenlivý, zkrátka materiál vhodný pro kontaktní
čočky nové generace. Wichterle ovšem znal
průhledné plasty s dobrými optickými vlastnostmi (třeba polymethylmetakrylát), které
by se mohly chemicky modifikovat hydrofilními skupinami. Po návratu do Prahy o tom
hovořil s mladšími kolegy ve své laboratoři.
Ale jen Drahoslav Lím, jeden z jeho asistentů, se této myšlenky náhodou chopil. Radikálovou polymerací methakrylových esterů
ethylenglykolu připravil první vzorek čirého
rosolovitého hydrogelu. Na základě tohoto
materiálu také obhájil svoji dizertační práci.
Z roku 1955 pochází patent autorů Wichterle
– Lím pod názvem Hydrofilní polymethakrylátové gely a jejich využití [1]. Stejní autoři krátce nato publikovali článek v časopise
Nature [2]. Hydrogel, poly(2-hydroxyethylmethakrylát), zkráceně PHEMA, je pozoruhodný materiál. Zachová si uspokojivou
mechanickou pevnost, i když pohltí až 40 %
vody. Přitom je opticky průhledný a čirý, velmi dobře se snáší s živou tkání a lze jej dále
chemicky modifikovat. (Příkladem jeho nejnovější úspěšné modifikace je hojivý přípravek HemaGel.) Ale jak vyrobit kontaktní čočku s přesnými optickými parametry
z materiálu, který připomíná aspik? Polymerace hydrogelu v uzavřených formách se ne­
osvědčila, protože vzniklé čočky měly přetoky a dráždily rohovku.
Prof. RNDr. Miroslav Raab, CSc., (*1938) vystudoval fyziku
pevných látek na Přírodovědecké fakultě MU v Brně a dizertaci o mechanické pevnosti hydrogelů obhájil v roce 1968 na
Matematicko-fyzikální fakultě UK v Praze. Mnoho let byl vědeckým pracovníkem Ústavu makromolekulární chemie AV ČR, nyní
je v důchodu. Nadále však spolupracuje se svým mateřským ústavem a také s Univerzitou Tomáše Bati ve Zlíně, Technickou univerzitou v Liberci a Vysokou školou hotelovou v Praze. Kromě patentů
a vědeckých publikací v mezinárodních časopisech uveřejnil řadu populárních článků v češtině a několikrát vystoupil v rozhlase
a v televizi. Jeho úspěšná kniha Materiály a člověk, netradiční úvod
do soudobé materiálové vědy, je stále aktuální.
V roce 1958 musel Wichterle z politických
důvodů odejít z vysoké školy, ale o rok později se stal ředitelem nově založeného Ústavu makromolekulární chemie ČSAV v Praze.
Právě tehdy Wichterleho napadlo, že by se
čočky mohly připravovat polymerací monomerní směsi během rotace v otevřených formičkách. Ministerstvem pověření odborníci
z podniku Oční optika jeho myšlenku předem
zavrhli, možná i proto, že byli sami angažováni ve vývoji pracně broušených tenkých
skleněných čoček. Wichterle jednou poznamenal: „Když experti prohlásí nějakou myšlenku za nesmyslnou, hned vím, že je opravdu dobrá a nová.“ Na Štědrý den roku 1961 si
doma sestavil aparaturu, která vešla do dějin
pod názvem čočkostroj, a připravil s ní první
sérii opravdových čoček. Kostra čočkostroje
byla zhotovena ze stavebnice Merkur, kterou
si Wichterle vypůjčil od syna, pohon obstaralo dynamo z jízdního kola, tlaková nádoba s argonem původně sloužila německému
pilotovi Luftwaffe a pouze použité monomery, katalyzátory a vybroušené skleněné formičky měl Wichterle ze školy. Na počátku
roku 1962 domácí čočkostroj dále zdokonalil
a spolu s manželkou Lindou vyrobil prvních
asi 1500 použitelných čoček. Tehdy vyzkoušel i fotopolymeraci s použitím domácího
„horského sluníčka“ (tím si mimochodem
zajistil i osobní vlastnictví patentu, jehož
použitelnost ověřil výhradně na soukromé
domácí půdě). Hydrogely a kontaktní čočky spolu s alkalickou polymerací kaprolaktamu pak vložil do vínku svého ústavu. Měkké
kontaktní čočky podle Wichterleho patentu
se staly vůbec nejúspěšnější československou
licencí [3]. Je vhodné to připomenout právě
nyní, krátce po padesátém výročí založení
Ústavu makromolekulární chemie AV ČR.
Na počátku těchto významných objevů byl
sice řetězec šťastných náhod, ale také geniální intuice a spousta trpělivé práce.
Hydrogely a kontaktní čočky jsou pouze
jedním z mnoha příkladů serendipity při
objevu nových látek a materiálů v technice,
lékařství a farmakologii. Určitě nejznámější
je objev penicilínu, když Fleming ve své (asi
trochu neuspořádané) laboratoři nevědomky infikoval bakteriální kulturu plísní, která
bakterie zahubila. O hodně mladší je příklad
Viagry, která byla původně zamýšlena jako
lék proti angině pectoris. Brzo se však projevily její nečekané „vedlejší účinky“. Skoro se
zdá, že záměrně vyvinout zcela nový lék na
určitou chorobu je prakticky nemožné.
Působení serendipity lze sledovat až do velmi hluboké minulosti [4]. Ty nejznámější příklady naleznete v rámečku na předchozí straně. Učitelé s oblibou vyprávějí žákům příběh
Archimeda ze Syrakus. Ten přišel při koupání ve vaně na to, že hustotu královské koruny
může stanovit flotační metodou. Tak navíc
objevil Archimedův zákon a jeho výkřik heuréka se stal symbolem objevů ve vědě a technice. Isaaka Newtona prý přivedl k formulaci gravitačního zákona náraz jablka do hlavy,
když usnul pod jabloní, i když se jedná spíš
o vědeckou báchorku.
Serendipita
Britský spisovatel Horace Walpole (1717–1797) obohatil v roce 1754 slovní
zásobu angličtiny o nové slovo, serendipity. Inspiroval se perskou pohádkou „Tři princové ze Serendipu“. Serendip je starší název ostrova Ceylon,
tedy Šrí Lanky. Podle současných slovníků serendipity znamená schopnost
nalézat hodnotné a příjemné věci bez předchozího záměru nebo dokonce
bez vlastního přičinění. Podle několika anket britských deníků jde o jedno
z nejoblíbenějších anglických slov, často se tak jmenují i soukromé výletní
lodě. Nicméně poté, co je Walpole ponejprv použil v dopise příteli, dlouho
dřímalo v zapomnění. Když se však na počátku 20. století někteří badatelé
začali soustavně zabývat historií vědeckých objevů, povšimli si, že mnoho
z nich bylo nečekaných, jako by opravdu spadly z nebe. Právě slovo serendipity se zdálo být pro vyjádření role šťastných náhod příhodné. Existuje i ve
tvaru přídavného jména – serendipitious. Výraz však bohužel velmi vzdoruje
pokusům o překlad do jiných jazyků a ani v češtině pro něj nemáme vhodný
ekvivalent. Musíme se tedy spokojit s trochu kostrbatým termínem „serendipita“. (Viz též Jaroslav Veis, Serendipita aneb Komu přeje náhoda, Vesmír
64, 468, 1985/8.)
Zážitek serendipity při významných objevech často souvisí se spánkem a snem. Traduje se, že Friedrich August Kekulé ze Stradonic vyřešil cyklickou strukturu benzenu
na základě snu o hadovi, který požírá svůj
vlastní ocas, možná se mu zjevil Ouroboros,
mytický had starých alchymistů. I tato historka má několik variant, ale důležité je, že
ukazuje souvislost mezi snem a praktickým
nápadem. Řešení složitého problému nebo
úkolu se často vynoří těsně po probuzení, na
hranici mezi snem a realitou. Právě tehdy se
může podařit protnout uzavřený kruh stereotypních úvah.
Louis Pasteur vynalezl očkování proti vzteklině a proslul i svým výrokem, že
„náhoda pomáhá připraveným“ – „Dans les
champs de l’observation, le hasard ne favorise
que les esprits préparés“.
Ve 20. století pomohla serendipita na svět
řadě důležitých polymerních materiálů,
z nichž některé jsou dnes součástí každodenního života, například polyethylen. V třicátých letech 20. století pracovali Eric Fawcett
a Reginald Gibson v laboratořích britské firmy ICI v Northwichi na laboratorní syntéze tohoto polymeru. Plynný ethylen uzavřeli
do tlakového reaktoru a postupně zvyšovali
reakční tlak a teplotu tak dlouho, až došlo
k explozi. Víko nádoby se utrhlo a proletělo
laboratorní halou. Naštěstí nikoho nezasáhlo,
ale trochu se zdeformovalo. Výzkumníci se
nevzdali a pokračovali v tlakování se silnějšími šrouby. Reakce nakonec proběhla, na dně
nádoby se náhle objevilo prvních osm gramů
polyethylenu, dnes se mu říká nízkohustotní
(LDPE). Ukázalo se, že netěsností pod prohnutým víkem proniklo do nádoby trochu
kyslíku, právě tolik, že působil jako katalyzátor reakce. V předvečer druhé světové války
pak nalezl polyethylen strategické uplatnění:
Osvědčil se pro izolace podmořských kabelů
a spolu s teflonem umožnil konstrukci radaru. (Polyethylen má totiž výhodnou hodnotu
permitivity v širokém frekvenčním intervalu.)
I tyto výsledky lze jistě označit za serendipitu, ale nemohly by nastat bez předchozích
dlouhodobých experimentů. Heslo Louise
Pasteura snad můžeme v tomto případě přeložit jako „Bez práce nejsou koláče“. Po druhé světové válce dostal nízkohustotní polye-
Abstract: Half a century
from the discovery of soft
contact lenses: An example
of serendipity by Miroslav
Raab. The term serendipity
means the faculty of making
happy and unexpected
discoveries by accident. It can
be illustrated by key moments
in human life, bust particularly
by important discoveries in
science and technology. Many
Czech scientists and inventors
also experienced the role of
serendipity in their achievements.
Serendipity can also be seen in
the famous Wichterle’s discovery
of soft contact lenses. Just half
a century ago the Czechoslovak
patent on „The method of
preparation of contact lenses“
was granted.
K dalšímu čtení
O. Wichterle, D.
Lím: Hydrofilní
polymethakrylátové
gely a jejich využití.
PV 12284-55, čs. A.
O. 91.918
O. Wichterle, D. Lím:
Hydrophilic gels
for biological use.
Nature 185, 117–118
(1960)
O. Wichterle: Způsob
výroby kontaktních
čoček. PV 7654-61,
čs. A. O. 108.895
F. Houdek, P. Kosatík:
Čekání na východ
slunce. Národní 3,
1/2008, 18–27
http://www.vesmir.cz | Vesmír 90, leden 2011
3
/Poděkování: Autor je zavázán
Mileně Doležalové z Ústavu
makromolekulární chemie AV ČR,
v.v.v. za vyhledání patentových
podkladů a Daně Horké z téhož
ústavu za trpělivé přepisování
a odeslání tohoto článku./
4
thylen svého mladšího bratra, který se nyní
nazývá vysokohustotní (HDPE). Lze říci, že
i jeho objev je příkladem serendipity, prozíravé aplikace organokovových látek jako
katalyzátorů polymerační reakce (tzv. katalyzátorů Ziegler-Natta). Další šťastný nápad
pak pomohl zvýšit výrobu nového polyethylenu, čímž se zároveň snížila jeho cena. První úspěšnou aplikací totiž byly létající talíře
(frisbee) a gymnastické obruče (hula hoop).
Teprve potom přišly další sportovní aplikace,
obalové fólie, trubky na rozvody vody a mnoho dalších výrobků. Zákazníci na celém světě
použijí každou minutu jeden milion nákup-
Vesmír 90, leden 2011 | http://www.vesmir.cz
ních tašek vyrobených z různých typů polyethylenu.
Příběhy serendipity však přinášejí ještě
další poučení. Ukazují, že opravdu významné objevy ve vědě a technice je velmi nesnadné předvídat, nebo dokonce plánovat. Musí
jim však předcházet soustavné myšlenkové
úsilí a často i řada mnohokrát trpělivě opakovaných pracných a únavných pokusů. A ještě jedna věc je zajímavá: K mnoha důležitým
objevům a vynálezům dochází téměř současně na vzdálených místech zeměkoule. Možná opravdu existuje celosvětové vědomí. Ale
nepochybně taky průmyslová špionáž… Ö